Streszczenie
Różnorodność sposobów układania spoin wynika z potrzeb technologicznych, konstrukcyjnych i ekonomicznych. Pojawiają się niekorzystne efekty spawania (np. temperatura, strefa wpływu ciepła, naprężenia i deformacje) których istnienie w od-powiedzialnych miejscach trzeba wykluczyć odpowiednimi badaniami i diagnostyką. Ograniczenie badanych obszarów może prowadzić do oszczędności i skrócenia cyklu produkcyjnego. Analizowano spoiny układane ściegiem ciągłym oraz dwoma rodza-jami ściegów okresowo przerywanych. Określano nieustalone rozkłady temperatury, wielkość jeziorka spawalniczego oraz pozostające naprężenia i deformacje. Symulo-wano spawanie elementu aluminiowego. StosoSymulo-wano nieliniowe własności materiałowe. Użyto programu ANSYS.
Słowa kluczowe: spawanie, naprĊĪenie, MES, aluminium, łuk okresowo przerywany 1. Wprowadzenie
1.1. NaprĊĪenia i odkształcenia powstające podczas spawania aluminium
Spawanie jest obecnie jedną z podstawowych technik łączenia metali. Do stopienia metalu ma-jącego tworzyü spoinĊ niezbĊdna jest duĪa iloĞü ciepła, działama-jącego tak na spoinĊ jak i na całą konstrukcjĊ. Ciepło wywołuje takĪe zmiany mikrostruktury obniĪające własnoĞci wytrzymało-Ğciowe i plastyczne materiału. MoĪe nastąpiü obniĪenie udarnoĞci. Nieodłącznie powstają chwilowe i pozostające naprĊĪenia i odkształcenia spawalnicze. Mają one istotny wpływ na konstrukcjĊ i mogą osiągaü wartoĞci niedozwolone lub niebezpieczne. JeĪeli gruboĞü spawanych elementów jest nie-wielka i materiał wykazuje wysokie własnoĞci plastyczne to do uszkodzenia konstrukcji konieczne bĊdą dodatkowe obciąĪenia zewnĊtrzne – eksploatacyjne. Ryzyko uszkodzeĔ wzrasta dla materia-łów kruchych, zwłaszcza, jeĪeli spawane są grubsze elementy. Wówczas przy wieloosiowym stanie utwierdzenia powstaje trójosiowy (3D) stan naprĊĪenia wyczerpujący zapas plastycznoĞci mate-riału. Istotnie wzrasta ryzyko wystąpienia pĊkniĊü [4,5].
Odkształcenia pozostające zmieniają kształt konstrukcji, mogąc doprowadziü do jej nieuĪytecz-noĞci lub niezgodnieuĪytecz-noĞci z normami i przepisami. Utrzymanie zadanych tolerancji jest utrudnione. Warsztatowe sposoby redukcji naprĊĪeĔ i odkształceĔ są efektem wieloletniego doĞwiadczenia tech-nologów. PoniewaĪ rozwój techniczny i wymagania ekonomiczne coraz czĊĞciej wprowadzają nowe rozwiązania i materiały to brakuje czasu na uzyskanie nowych doĞwiadczeĔ [5].
Konstrukcje wytworzone z aluminium są zazwyczaj lĪejsze od stalowych. Spawalnicza produk-cja elementów aluminiowych poza trudnoĞciami typowymi dla spawania stali napotyka jednak na specyficzne problemy. Wynikają one z wiĊkszego powinowactwa do tlenu, niĪszych temperatur
topnienia i znaczącej utraty własnoĞci wytrzymałoĞciowych, wielokrotnie wyĪszego współczynnika przewodzenia ciepła i rozszerzalnoĞci temperaturowej, mniejszych moĪliwoĞci badania gotowych spoin (np. brak metod magnetycznych, w tym analizy przebiegu zjawiska Barkhausena). CzĊsto teĪ odkształcenia spawalnicze są wiĊksze. Spawanie aluminium wymaga stosowania innych technologii i parametrów spawania. DuĪą uwagĊ poĞwiĊca siĊ obecnie spawaniu prądem pulsującym, sprzyja-jącemu poprawnemu układaniu spoin, zmniejszasprzyja-jącemu pozostające odkształcenia spawalnicze i, jak siĊ czĊsto uwaĪa, naprĊĪenia pozostające [2,5,7]. Pomimo znacznego zapasu plastycznoĞci któ-rym wykazuje siĊ czyste aluminium, niektóre jego stopy mogą byü podatne na pĊkniĊcia. Istnieje potrzeba oszacowania wartoĞci naprĊĪeĔ pozostających miĊdzy innymi w celu wyznaczenia i ogra-niczenia obszarów badaĔ kontrolnych i diagnostycznych. MoĪliwym jest bowiem Īe zastosowania spawania impulsowego-łukiem okresowo przerywanym, pomimo mniejszych globalnych odkształ-ceĔ i naprĊĪeĔ powoduje powstawanie obszarów o naprĊĪeniach wyĪszych, ale o na tyle niewielkich rozmiarach Īe ich wykrywanie typowymi i powszechnie stosowanymi metodami jest utrudnione lub nawet niemoĪliwe. Poziom naprĊĪeĔ niezbĊdnych do zainicjowania pĊkniĊcia jest wyĪszy od ko-niecznego do dalszego rozwoju szczeliny. Niewielkie obszary mogły by zainicjowaü pĊkniĊcia powinny zatem byü zlokalizowane i uwzglĊdnione w ocenie wytrzymałoĞci obciąĪonej konstrukcji. Obszary takie mogą takĪe podlegaü lokalnej korozji naprĊĪeniowej, zapoczątkowując rozleglejsze jej formy [5].
1.2. Metoda elementów skoĔczonych w obliczeniach inĪynierskich
ĝcisłe opisywanie zjawisk fizycznych jest moĪliwe dziĊki zastosowaniu równaĔ wiąĪących wielkoĞci fizyczne. UmoĪliwia to prowadzenie obliczeĔ tak fizycznych jak i obiektów technicznych. Zapisanie odpowiedniego równania jest czĊsto nieproste, dla zjawisk bardziej złoĪonych bardzo trudne. Najtrudniejszą fazą jest rozwiązywanie równaĔ, zwłaszcza jeĪeli są to róĪnego typu równa-nia róĪniczkowe. Istniejące rozwiązarówna-nia matematyczne problemów fizycznych czĊsto są ograniczone znacznymi uproszczeniami i załoĪeniami. W technice dotyczą one np. własnoĞci mate-riałowych i geometrii. Stosowane materiały czĊsto mają liczne nieliniowo zmienne w funkcji kilku zmiennych własnoĞci materiałowe. Konstrukcje inĪynierskie mają złoĪony kształt, ich geometria czĊsto jest wrĊcz wyrafinowana. Mogą byü funkcją czasu np. przy scalaniu kolejnych fragmentów. Przy takich warunkach brzegowych uzyskanie Ğcisłych rozwiązaĔ równaĔ fizycznych opisujących obiekty techniczne jest zazwyczaj niemoĪliwe lub wymaga intensywnej pracy najwyĪszej klasy ma-tematyków.
W technice zazwyczaj nie jest niezbĊdne uzyskanie dokładnych i ciągłych rozwiązaĔ. UĪyteczne są wartoĞci wynikowe dla wybranych punktów, chwil czasu oraz mające skoĔczoną pre-cyzjĊ. Wychodząc z tego załoĪenia moĪna dokonaü dyskretyzacji obiektu technicznego prowadzącej do uproszczonego opisu geometrii lub własnoĞci materiałowych. Przydatny i skuteczny jest podział obiektu na skoĔczonej wielkoĞci elementy, które pozwalają na uwzglĊdnienie całoĞci obiektu dziĊki powiązaniu ich w wĊzłach bĊdących ich czĊĞcią wspólną. Istnieje wiele metod wykorzystujących tĊ zasadĊ. WspółczeĞnie najpopularniejsza jest Metoda Elementu SkoĔczonego (MES). Posiada bogata literaturĊ i wiele zaawansowanych programów które ja implementują [9].
Geometria opisana skoĔczoną iloĞcią elementów i wĊzłów moĪe byü zapisana w macierzach, które są skutecznie przetwarzane przez komputery. ZaleĪnoĞci pomiĊdzy wĊzłami, zmiany wartoĞci zmiennych wewnątrz elementów, dziĊki pracy teoretyków, równieĪ mogą byü efektywnie zapisane
macierzowo. Podobnie moĪna zapisaü obciąĪenia i utwierdzenia. Liniowe (ale zróĪnicowane dla poszczególnych elementów) własnoĞci materiałowe takĪe moĪna zapisaü macierzowo.
Dyskretyzacja czasu pozwala na odcinkowe opisywanie zjawisk zmiennych w kolejnych prze-działach czasu. Obliczenia prowadzone metodą krok-po-kroku pozwalają na wyznaczenie stanu koĔcowego i stanów poĞrednich obiektu. Nieliniowe własnoĞci materiałowe wymagają zmodyfiko-wanej (np. iteracyjnej) procedury obliczeniowej. Współistnienie wzajemnie zaleĪnych zjawisk fizycznych moĪe wymagaü zastosowania rozwiązywania sprzĊĪonego. Ze wzglĊdu na jego złoĪo-noĞü czĊsto rezygnuje siĊ z tego na rzecz kolejnego uwzglĊdniania zjawisk, co przy słabym sprzĊĪeniu nie wpływa istotnie na dokładnoĞü obliczeĔ. Dyskretyzacja własnoĞci materiałowych pozwala na implementacje wielu ich modeli, takĪe i nieliniowo zmiennych.
Macierzowy, dyskretny zapis stanu obiektu pozwala na obliczenia numeryczne, realizowane przez komputery juĪ w pierwszych latach ich rozwoju. ZłoĪone procedury obliczeniowe i kontrolne pozwalają uzyskaü wymaganą dokładnoĞü obliczeĔ. ChociaĪ z matematycznego punktu widzenia MES jest złoĪonym problemem naukowym, to dla inĪyniera (czĊsto teĪ i naukowca) jest to uĪy-teczne narzĊdzie o mniejszym niĪ metody analityczne poziomie trudnoĞci[9].
Geometria moĪe byü zapisywana w sposób uproszczony: 1D 2D lub 3D. Zostały stworzone odpowiednie do zastosowaĔ rodzaje elementów np. punkt masowy, prĊt, belka, powłoka, tarcza, płyta o zmiennej gruboĞci i wielowarstwowej strukturze wewnĊtrznej, wieloĞcienne (4–6) elementy przestrzenne. Dla dokładniejszego opisania zjawisk i geometrii obiektu stworzone zostały elementy o zmiennych w nich liniowo i nieliniowo parametrach fizycznych. Na krawĊdzi elementu moĪe byü od 2 do 4 wĊzłów. WiĊksza iloĞü wĊzłów pozwala na uwzglĊdnianie krawĊdzi i powierzchni za-krzywionych. Przykłady zostały przedstawione na (rys. 1).
Rys. 1. Elementy stosowane w MES: a) liniowe (punkt masowy, 1D,2D,3D), b) drugiego stopnia, c) trzeciego stopnia, d)sieć trójkątnych elementów liniowych
ħródło: opracowanie własne i [9].
MES stosując odpowiednie równania i warunki brzegowe moĪe opisywaü np. rozkłady i zmien-noĞü w czasie: temperatury, odkształceĔ i naprĊĪeĔ, pola elektrycznego i magnetycznego, dyfuzji, przepływów cieczy lepkich, drgaĔ swobodnych i wymuszonych, przepływu prądu, zjawisk piezoe-lektrycznych etc. MoĪliwe jest uwzglĊdnienie promieniowania, konwekcji, zjawisk kontaktowych
(np. zderzenia). Istnieje wsparcie dla optymalizacji konstrukcji, np. pozwalające na redukcjĊ masy konstrukcji bez utraty jej pierwotnej noĞnoĞci.
2. Badania numeryczne
2.1. Model spawanego elementu
Symulowano spawanie blachy o wymiarach 150x200x3,8mm, wykonanej ze stopu aluminium. Spoina układana jest w osi próbki, na odcinku 100mm, z prĊdkoĞcią 10mm/s. Powoduje ona zwiĊk-szenie gruboĞci obszaru lica i grani. NatĊĪenie prądu spawania jest zmienne i składa siĊ z cyklicznych impulsów.
Model spawanej blachy jest dwuwymiarowy, leĪy w płaszczyĨnie XY, uwzglĊdniając zmianĊ gruboĞci blachy w kierunku Z. PoniewaĪ model jest symetryczny wzglĊdem płaszczyzny XZ obli-czenia prowadzono dla połowy powierzchni próbki. Zastosowanie odpowiednich utwierdzeĔ w temperaturowej i strukturalnej czĊĞci obliczeĔ zapewnia poprawnoĞü symulacji prowadzonej dla połowy spawanej blachy.
Model MES został zbudowany z 1337 elementów i 1430 wĊzłów. Zastosowano trójkątne i kwa-dratowe elementy liniowe: Shell57 w temperaturowej czĊĞci obliczeĔ, zamienione na Plane42, o takiej samej sieci, dla prowadzenia obliczeĔ strukturalnych. Dla uwzglĊdnienia wysokich wartoĞci gradientów w miejscu spawania wielkoĞü elementów była mniejsza (0,4x1mm) niĪ na zewnĊtrznych krawĊdziach modelu (5x5mm). WielkoĞü elementów zmieniała siĊ stopniowo. IloĞü zastosowanych elementów mogła zostaü istotnie zmniejszona, w efekcie redukując czas obliczeĔ. Sieü elementów została przedstawiona na (rys. 2).
Rys. 2 Zastosowana sieć elementów skończonych, wyniki są przedstawiane dla górnej połowy ħródło: opracowanie własne.
WłasnoĞci aluminium uĪyte do obliczeĔ uzyskano z [1,4,6,8]. Są one nieliniowo zaleĪne od tem-peratury, dodatkowo własnoĞci wytrzymałoĞciowe takĪe od stopnia odkształcenia ε. UĪyto modelu materiału sprĊĪysto-plastycznego z umocnieniem izotropowym. NieliniowoĞü własnoĞci materiało-wych umoĪliwia opisanie zmian wynikających z nagrzewania i przejĞcia przemiany fazowej, jednak znacznie wydłuĪając czas obliczeĔ. Wykresy przedstawiający własnoĞci badanego stopu aluminium przedstawiono na (rys. 3) i (rys. 4).
a) b)
Rys. 3 Własności materiałowe w funkcji temperatury, zastosowane w obliczeniach, a) entalpia H, współczynnik przewodzenia ciepła λ i moduł Younga E, b) współczynnik rozszerzalności αΤ temperaturowej i współczynnik Poissona ν
ħródło: [1,4,6,8].
Rys. 4 Zastosowane własności wytrzymałościowe sprężysto-plastyczne z umocnieniem izotropowym, w zależności od temperatury ħródło: [4,6].
Zastosowano rozłoĪone, objĊtoĞciowe Ĩródło ciepła, odpowiadające spawaniu metodą MIG, o charakterystyce zbliĪonej do zaproponowanej przez Goldaka [3]. ħródło jest przemieszczane sko-kowo, co 0.1s przesuwając siĊ zgodnie z kierunkiem spawania (oĞ X) o 1 element, mający tam długoĞü 1mm. Elementarne, zróĪnicowane Ĩródła ciepła zostały rozłoĪone w 25 elementach dając sumaryczną moc początkową Qo=3.4kW. Dla takiej, stałej, mocy została przeprowadzona symulacja stanowiąca poziom odniesienia wobec kolejnych. Dla uwzglĊdnienia spawania łukiem okresowo przerywanym zdefiniowano cyklicznie przywoływane okresy o długoĞci 0.5s. Zostały o podzielone na 5 podokresów o długoĞciach 0.1s. W kaĪdym z podokresów moĪna niezaleĪnie aktywowaü Ĩródło ciepła, stosownie do symulowanej pulsacji. Przykłady przedstawiono na (rys. 5). Początkowa moc Ĩródła ciepła Qo moĪe byü mnoĪona przez współczynnik D, który w opisywanych symulacjach wy-nosił 1 lub 3.
a) b)
Rys. 5. Schemat pulsacyjnego działania źródła ciepła, a) aktywowanie podokresów, b) zastosowanie mnożnika D przy równoczesnym aktywowaniu podokresów ħródło: opracowanie własne.
UwzglĊdniono konwekcyjne odprowadzanie ciepła z górnej i dolnej powierzchni blachy, odpo-wiadające nieruchomemu powietrzu o temperaturze 20oC. Dla uwzglĊdnienia odprowadzania ciepła przez promieniowanie, dominującego pow. 600oC, po uzyskaniu tej temperatury odpowiednie współczynniki zostały, lokalnie i chwilowo, powiĊkszone [4,6].
Dla uwzglĊdnienia powstawania spoiny elementom leĪącym w miejscu rowka spawalniczego zostały początkowo przypisane własnoĞci materiałowe odpowiadające powietrzu. Przemieszczanie Ĩródła ciepła i narastanie spoiny pozwalało na przywracanie własnoĞci odpowiadających stopowi aluminium[3,6].
2.2. Obliczenia
Temperatura, mikrostruktura, odkształcenia i naprĊĪenia są z sobą wzajemnie powiązane w spo-sób pokazany na (rys. 6). Powiązania są bardziej i mniej istotne. Temperatura i odkształcenia powiązane są współczynnikiem rozszerzalnoĞci liniowej. Zmiana wymiarów nagrzanych ciał sta-łych jest zauwaĪalna i powinna byü uwzglĊdniona. Zjawisko odwrotne – generacja ciepła w efekcie wymuszonych odkształceĔ takĪe jest obserwowane, ale poniewaĪ w procesach spawalniczych ciepło wprowadzane w miejscu spawania jest o kilka rzĊdów wielkoĞci wiĊksze, moĪe zatem byü zanie-dbane. Ustalenie istotnych powiązaĔ pozwala na zrezygnowanie z rozwiązywania problemu jako sprzĊĪonego na rzecz rozdzielenia na problemy składowe i posobnego ich rozwiązywania. Powią-zania mikrostruktury jako najsłabsze mogą byü dla aluminium przeprowadzone jako ostatnie – jeĪeli jest to wymagane.
Rozdzielenie problemów przepływu ciepła i odkształceĔ pozwala na stosowanie sposobu obli-czeĔ przedstawionego schematycznie na (rys. 7). Lewa strona przedstawia blok obliobli-czeĔ temperaturowych, prawa blok obliczeĔ strukturalnych. Dane wejĞciowe (przedstawione centralnie) wykorzystywane są przez oba bloki. Wyniki obliczania temperatury słuĪą jako istotne dane wej-Ğciowe do obliczeĔ strukturalnych i muszą byü uzyskane w pierwszej kolejnoĞci.
Rys. 6. Powiązania zjawisk wpływających na naprężenia i odkształcenia spawalnicze, 1,2,3 powiązania wpływające istotnie; 4,5,6: o malej istotności
ħródło: [5].
Obliczenia strukturalne prowadzone są przez MES w poszukiwaniu odkształceĔ u (jednostko-wych i globalnych), póĨniej dopiero przeliczanych na naprĊĪenia z zastosowaniem aktualnego modułu Younga. Dane wejĞciowe są zmienne. Mogą zaleĪeü od czasu τ jako wynik zmiany poło-Īenia Ĩródła ciepła, zachodzącego umocnienia odkształceniowego materiału czy przywracania własnoĞci materiałowych elementów w rowku spawalniczym. Mogą teĪ zaleĪeü od temperatury, jak np. zmiana współczynnika konwekcji dla uwzglĊdnienia promieniowania cieplnego w podwyĪszo-nych temperaturach. ZaleĪnoĞü od temperatury dotyczy zwłaszcza własnoĞci materiałowych – tak temperaturowych jak i strukturalnych. Wykresy zastosowanych własnoĞci zostały przedstawione na (rys. 3 i 4).
Spawanie jest procesem dynamicznym, miejsce wprowadzania ciepła i powstawania spoiny zmienia swoje połoĪenie a po spawania przedmiot stygnie w ciągły, niejednolity sposób aĪ do uzy-skania temperatury otoczenia. Poszukiwanie jednego, koĔcowego stanu ustalonego nie jest zatem tu właĞciwe, chociaĪ czĊsto skutecznie stosowane w inaczej sformułowanych problemach. Dla uzy-skania nieustalonego pola temperatury (póĨniej takĪe zmiennych w czasie odkształceĔ i naprĊĪeĔ) konieczne jest prowadzenie obliczeĔ dla pewnych chwil czasu τ z krokiem o długoĞci Δτ. Uzy-skane w kroku (k) pole temperatury jest wynikiem oddziaływania chwilowych warunków zewnĊtrznych na pole temperatury uzyskane z poprzedniego, (k-1), kroku obliczeĔ. Wynik bieĪą-cych obliczeĔ bĊdzie uwzglĊdniony dla kroku (k+1). DługoĞü kroków czasu jest zmienna – początkowa wartoĞü 0.001s zmienia siĊ do 50s pod koniec etapu chłodzenia, stosownie do szybkoĞci zmian zachodzących w modelu.
Rys. 7. Zastosowany w obliczeniach schemat prowadzenia nieustalonych, niesprzężonych obliczeń temperaturowych i strukturalnych z zastosowaniem nieliniowych własności materiałowych ħródło: [6].
Ze wzglĊdu na zaleĪnoĞü własnoĞci materiałowych od wyników bieĪącego obliczenia (od T w czĊĞci temperaturowej, od u w czĊĞci strukturalnej), niezbĊdne staje siĊ wprowadzenie iteracyj-nego sposobu rozwiązywania. Dla daiteracyj-nego kroku czasu pierwotnie ustalona temperatura pozwala na
skorygowanie aktualnie stosowanych własnoĞci materiałowych i przeprowadzenie kolejnego obli-czenia podającego kolejne przybliĪenie temperatury itd., aĪ do uzyskania zbieĪnoĞci, tj. róĪnicy pomiĊdzy kolejnymi rozwiązaniami lepszej od załoĪonej granicznej. Jest to sposób obliczeĔ który wraz z uwzglĊdnianiem kolejnych stanów nieustalonych powoduje znaczne wydłuĪenie czasu obli-czeĔ: ok. 105 razy.
Przebieg zmiennoĞci uwzglĊdnia zarówno zakres istnienia fazy stałej jak i ciekłej. Wykres en-talpii pokazuje pojemnoĞü cieplną materiału, narastającą wraz temperaturą. Gwałtowny wzrost odpowiada ciepłu topnienia (krzepniĊcia) metalu.
Współczynnik przewodzenia ciepła aluminium zaleĪy od temperatury i jest znany tak dla stanu stałego jak i ciekłego. Na potrzeby symulacji spawalniczej wartoĞü współczynnika dla stanu cie-kłego została istotnie powiĊkszona. UmoĪliwiło to uwzglĊdnienie intensywnego przenoszenia ciepła w jeziorku spawalniczym mieszanym przez dynamiczne oddziaływanie łuku spawalniczego[5,6].
Zastosowany model materiału – sprĊĪysto-plastyczny z umocnieniem izotropowym pozwala na pojawianie siĊ w wynikach obliczeĔ naprĊĪeĔ przekraczających znaną granicĊ plastycznoĞci mate-riału. Ma to uzasadnienie w wynikach eksperymentalnych próby statycznego rozciągania opisujących naprĊĪenia powyĪej wyraĨnej lub umownej granicy plastycznoĞci.
Dla zachowania stabilnoĞci numerycznej, podczas iteracyjnego rozwiązywania układów nieu-stalonych z nieliniowoĞcią materiałową, konieczne było okreĞlenie pewnych wartoĞci własnoĞci materiałowych takĪe w temperaturach fizycznie niedopuszczalnych np. -500 oC lub +5000oC. Wyniki koĔcowe nie zawierają takich wartoĞci.
Uzyskanie informacji o własnoĞciach materiałowych w temperaturach nie mieszczących siĊ w najczĊstszych zastosowaniach inĪynierskich jest utrudnione.
Symulowano procesy zachodzące w ciągu 800s. Przez pierwsze 10.3s symulowano przemiesz-czenie siĊ Ĩródła ciepła o opisanej wczeĞniej charakterystyce, póĨniej przy wyłączonym Ĩródle symulowano chłodzenie modelu który osiąga po 800s temperaturĊ bardzo bliską 20oC – temperaturĊ otoczenia. StabilnoĞü procesu rozwiązywania była słaba z powodu czĊstego, gwałtownego, aktywo-wania i wyłączania Ĩródła ciepła. Wymuszało to uĪycie krótkich kroków czasu. UĪyto programu Ansys sterowanego przez wczeĞniej przygotowane przez autora pliki tekstowe.
3. Wyniki
Tab.1 Obliczone odkształcenia i naprężenia pozostające (wartości maksymalne)
Nr Moc łuku (Q=D Q 0)
Czas działania pełnej mocy łuku w czasie
okresu 0.5s, s
Odkształcenie maksymalne,
m NaprĊĪenia pozostające (dla 800 s), MPa
Huber-Misses wzdłuĪne poprzeczne
1 Qo 0,5 0.207e-3 0 +245 -117 / +272 -197 / +160
2 Qo 0,3 0.111e-3 0 +246 -66 / +264 -183 / +183
3 3 Qo 0,1 0.887e-4 0 +252 -80 / +261 -183 / +193
ħródło: opracowanie własne.
Po obliczeniach MES otrzymano pozostające oraz nieustalone pola temperatury, odkształceĔ i naprĊĪeĔ. Wybrane, najistotniejsze do oceny efektów spawania przedstawiono w tabeli 1 oraz na (rys. 8–11). W tabeli 1 obok parametrów stosowanego Ĩródła ciepła przedstawiono najwiĊksze od-kształcenie pozostające w modelu po spawaniu, oraz maksymalne naprĊĪenia pozostające: wzdłuĪne, poprzeczne i uwzglĊdniające wpływ wszystkich składowych zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa. Dodatnie wartoĞci naprĊĪeĔ mogą prowadziü do powstawania pĊkniĊü, ujemne stwarzają mniejsze zagroĪenie.
Przykładowe pole temperatury podczas spawania łukiem ciągłym przedstawiono na (ry.8). Wyznaczanie obszarów badaĔ diagnostycznych dogodnie jest prowadziü na podstawie map naprĊ-ĪeĔ, najlepiej zredukowanych. Dla poszczególnych analizowanych przypadków zostały one przedstawione na (rys. 9–11). Wykresy powierzchniowe przedstawiono zawsze dla jednej z syme-trycznych (górnej wzglĊdem osi spoiny) połówek modelu. Obliczenia MES umoĪliwiają uzyskanie znacznie wiĊkszej iloĞci i kategorii wyników, które z braku miejsca nie zostały w artykule zamiesz-czone, ale są dostĊpne do analizy w programie ANSYS.
Rys. 8. Obliczone pole temperatury, podczas spawania łukiem ciągłym, dla t=10.3s. (tab.1 p.1) ħródło: opracowanie własne.
Rys. 9. Pozostające naprężenia własne po spawaniu łukiem ciągłym (tab.1 p.1), zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, Pa
ħródło: opracowanie własne.
Rys. 10. Pozostające naprężenia własne po spawaniu łukiem okresowo przerywanym (tab.1 p.2), zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, Pa
Rys. 11. Pozostające naprężenia własne po spawaniu łukiem okresowo przerywanym (tab.1 p.3), zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, Pa
ħródło: opracowanie własne. 4. Wnioski
1. Rezultaty symulacji przedstawione w tabeli 1 na (rys 9–11) pokazują Īe naprĊĪenia pozostające po spawaniu łukiem okresowo przerywanym mogą mieü wartoĞci wyĪsze niĪ po spawaniu łukiem ciągłym.
2. WartoĞci naprĊĪeĔ pozostających po spawaniu impulsowym mogą byü wystarczające do zarod-kowania pĊkniĊü.
3. WartoĞci maksymalne naprĊĪeĔ rozciągających są ulokowane na niewielkich, cyklicznie rozło-Īonych obszarach.
4. Obszary te są zbyt małe aby prowadziü badania eksperymentalne wiĊkszoĞcią metod. 5. Deformacje pozostające są mniejsze przy spawaniu impulsowym (tab.1).
6. MES moĪe byü stosowany do obliczania naprĊĪeĔ pozostających po spawaniu. UĪycie doĞü czĊ-sto spotykanego programu ANSYS umoĪliwia ułatwienia organizacyjne w prowadzeniu obliczeĔ.
7. Analiza rozkładów naprĊĪeĔ wskazuje Īe badania spoin wykonanych łukiem okresowo przery-wanym powinny byü prowadzone szczególnie dokładnie w miejscach styków elementarnych jeziorek spawalniczych.
Bibliografia
1. Argyris, J.H., Szimmat J., Willam K.J., Finite Element Analysis of Arc-welding Process. Numer-ical Methods in Heat Transfer, 1985.vol. III.
2. Frewin M.R., Scott D.A., Finite element model of pulsed laser welding, Welding Research Sup-plement, I 1999,p. 15–21.
3. Goldak J. et all., Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B, 1986, nr 9, s 587–600.
4. Radaj D., Heat effects of welding, Springer Verlag,Berlin,1992.
5. Ranatowski E., Elementy fizyki spajania metali, Wyd. ATR Bydgoszcz, 1999.
6. Skibicki A., Identyfikacja stanu termicznych i mechanicznych skutków procesu spawania wybra-nych elementów z uwzględnieniem metod numeryczwybra-nych, Praca doktorska, ATR Bydgoszcz, Wydział Mechaniczny 1998.
7. Skibicki A., Numeryczna ocena wpływu pulsacji łuku na naprężenia pospawalnicze w stopach aluminium. Materiały i Technologie. Roczniki Naukowe PTM, Nr 3 (3), str. 213 ÷ 216. 2005. 8. Vishnu, R.P.,Easterling, K.E., Phenomenological modeling of heat flow and microstructural
hanges in pulsed GTA welds in a quenched and tempered steel. Mathematical Modeling of weld Phenomena,MP,p.241–270,London,1993.
9. Zienkiewicz O.C.: Metoda Elementów Skończonych. Arkady, Warszawa 1972.
INDICATION OF LOCATIONS FOR DIAGNOSTIC INVESTIGATIONS OF WELDS, ON THE BASIS OF FEM CALCULATION OF TEMPERATURE AND STRESSES
Summary
The use of pulsed arc for welding of aluminium has influence on residual stresses. 2D FEM model of the welded plate, lying on the surface of welded sheets,1337 finite elements, was used. The calculations were done with ANSYS in two phases, thermal and mechanical calculations of deformations and stresses, are non-linear with tem-perature dependent material properties. Different type of pulse was used. Results from temperature analysis were used in stress calculation. Some residual stresses after pulsed arc welding were higher as after constant. The maximums of tensile stresses were concentrated at small, perpetual areas. They are too small for experimental measuring, but significantly sufficient for crack propagation or local stress corrosion. Keywords: welding, stress, FEM, aluminum, pulsed arc
Andrzej Skibicki
Faculty of Mechanical Engineering
University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz
